Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych

Transkrypt

1 Biuletyn WAT Vol. LXVI, Nr 2, 2017 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych TADEUSZ DZIUBAK, YURIY YENDZHEYOVSKYY Wojskowa Akademia Techniczna, Wydział Mechaniczny, Instytut Pojazdów Mechanicznych i Transportu, Warszawa, ul. S. Kaliskiego 2, tadeusz.dziubak@wat.edu.pl Streszczenie. Przedstawiono rozwiązania konstrukcyjne oraz właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego pojazdów mechanicznych oraz samochodów sportowych. Przeprowadzono analizę wpływu zastosowania w samochodzie osobowym filtru powietrza samochodu sportowego. Pokazano wpływ tej zamiany na wzrost mocy i momentu obrotowego w silnikach spalinowych kilku samochodów. Opracowano warunki i metodykę badań filtrów powietrza samochodów sportowych. Zaprezentowano stanowisko badawcze z licznikiem cząstek. Przedstawiono wyniki badań charakterystyk skuteczności i dokładności filtracji oraz oporu przepływu dwóch sportowych filtrów powietrza. Każdy filtr badano przy innej prędkości filtracji. Określono współczynnik chłonności pyłu filtru sportowego. Obliczono udział ziaren pyłu w powietrzu oczyszczonym za filtrem. Słowa kluczowe: silnik spalinowy, filtr powietrza, filtr sportowy, skuteczność i dokładność filtracji, opór przepływu, współczynnik chłonności pyłu, rozmiar ziaren DOI: / Wstęp Od współczesnych silników spalinowych stosowanych w pojazdach mechanicznych wymagana jest ich długa żywotność oraz duże przebiegi międzynaprawcze. Jednym z czynników wpływających na zużywanie współpracujących elementów jest czystość powietrza zasysanego do cylindrów silnika. Wszystkie ziarna pyłu o rozmiarze powyżej 1 µm powodują przyspieszone zużycie i to one powinny być usunięte przez filtry powietrza [1, 2]. O skuteczności i dokładności filtracji powietrza wlotowego do silników decyduje zastosowany materiał filtracyjny. Obecnie

2 124 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy dominującym materiałem filtracyjnym płynów eksploatacyjnych są papiery filtracyjne, które charakteryzują się dużą dokładnością i skutecznością filtracji, mają jednak małą chłonność pyłową. Podczas eksploatacji pojazdu następuje przyrost oporów przepływu filtru wskutek zatrzymywania się cząstek pyłu na wkładzie filtracyjnym. Zależnie od stężenia pyłu w powietrzu i masy przepływającego powietrza, filtry osiągają swoją chłonność po różnych przebiegach pojazdu. Nadmierny wzrost oporu przepływu filtru powietrza powoduje spadek masowego natężenia przepływu powietrza doprowadzonego do wnętrza cylindrów silnika spalinowego, co jest przyczyną pogorszenia parametrów jego pracy: spadku mocy, wzrostu jednostkowego zużycia paliwa. Z tego względu wkłady filtracyjne należy wymienić po osiągnięciu określonego oporu przepływu, zwanego oporem dopuszczalnym. Od kilku lat popularne stało się wykorzystywanie przez użytkowników samochodów osobowych filtrów powietrza stosowanych w samochodach sportowych, zwanych filtrami sportowymi, zamiast standardowych (fabrycznych) filtrów powietrza wlotowego. Z danych podawanych przez producentów filtrów sportowych wynika, że mają one małe opory przepływu oraz długie okresy żywotności (około km przebiegu pojazdu) przy odpowiednim ich obsługiwaniu [19, 20]. Z danych literaturowych wynika, że zamontowanie w samochodzie tego typu filtru zamiast filtru fabrycznego pozwala uzyskać wzrost mocy oraz momentu obrotowego silnika. Producenci filtrów sportowych nie podają najważniejszych dla trwałości silnika spalinowego parametrów: skuteczności oraz dokładności filtracji powietrza. Brakuje też danych informujących o zużyciu paliwa przez silnik, w którym dokonano zamiany filtru fabrycznego na filtr sportowy. Z tego względu niezbędne jest przeprowadzenie badań rozpoznawczych filtrów sportowych w zakresie skuteczności i dokładności filtracji oraz oporów przepływu. Celem pracy jest analiza wpływu (na parametry użytkowe silnika spalinowego) zastosowania w samochodzie osobowym filtru powietrza samochodu sportowego wraz z eksperymentalną oceną jego właściwości filtracyjnych: skuteczności i dokładności filtracji oraz oporów przepływu. 2. Rozwiązania konstrukcyjne filtrów sportowych Stosowane w samochodach sportowych filtry powietrza, w odróżnieniu od standardowych filtrów powietrza używanych w silnikach w samochodach osobowych, są nazywane filtrami sportowymi. Są to filtry kształtowe (stożkowe lub cylindryczne) oraz wkłady filtracyjne (panelowe lub pierścieniowe) pasujące do seryjnej obudowy filtru fabrycznego (rys. 1). Przegroda filtracyjna filtrów sportowych składa się z kilku warstw materiału bawełnianego umieszczonego między dwiema powłokami metalowej siatki (rys. 2). Warstwa filtracyjna nasączona jest specjalnym olejem zwiększającym skuteczność

3 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 125 i dokładność filtracji. Materiał filtracyjny wraz z dwiema ochronnymi siatkami kształtowany jest w plisy (rys. 2), a ich końcówki mocowane są szczelnie do dolnej i górnej podstawy filtru. a) b) c) d) e) Rys. 1. Filtry stosowane w samochodach sportowych: a) filtr stożkowy; b) filtr stożkowy ze stożkiem wewnętrznym; c) filtr cylindryczny (zamknięty w puszce stanowiącej przegrodę termoizolacyjną); d) wkład filtracyjny panelowy; e) pierścieniowy wkład filtracyjny [19, 22] a) b) Rys. 2. Złoże filtracyjne filtru sportowego po plisowaniu: a) elementy złoża (1 włóknina, 2 siatka ochronna); b) widok złoża Górną podstawę filtru stożkowego (cylindrycznego) stanowi pokrywa o kształcie koła wykonana z metalowej blachy lub tworzywa sztucznego. Dolna podstawa ma kształt pierścienia połączonego z króćcem wylotowym, przy pomocy którego filtr montowany jest do przewodu dolotowego powietrza. Filtry stożkowe sportowe z kontrstożkiem (rys. 3b) mają bardziej ekonomicznie wykorzystaną przestrzeń, a tym samym zwiększoną powierzchnię filtracyjną. Brak obudowy i napływ powietrza bezpośrednio z otoczenia powoduje bardziej korzystne ukształtowanie strumienia powietrza, co sprawia, że opory przepływu filtrów sportowych są znacznie mniejsze niż standardowych filtrów powietrza. Przepływ powietrza przez filtr sportowy stożkowy oraz stożkowy z kontrstożkiem przedstawiono na rysunku 3. Większość sportowych filtrów powietrza wymaga obsługiwania zwykle co km. Serwisowanie filtrów sportowych polega na spryskaniu specjalnym płynem przegrody filtracyjnej z obu stron w celu rozpuszczenia zanieczyszczeń. Następnie należy myć przegrodę strumieniem chłodnej wody od strony wylotowej. Po wyschnięciu filtr należy nasączyć specjalnym olejem (rys. 4) [21, 23]. Tak stosowana technologia obsługiwania filtrów sportowych zapewnia ich wielokrotne użytkowanie oraz długie okresy eksploatacji, do km przebiegu pojazdu [19, 20].

4 126 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy a) b) Rys. 3. Przepływ powietrza przez filtr sportowy: a) stożkowy; b) stożkowy ze stożkiem wewnętrznym (kontrstożkiem) [7] a) b) Rys. 4. Wygląd przegrody filtracyjnej filtru sportowego: a) po przebiegu; b) po czyszczeniu i nasączeniu olejkiem [23] Miejsce osadzenia filtru w komorze silnika ma bardzo istotny wpływ na jego poprawne działanie. Bardzo ważnym aspektem jest to, aby filtr był montowany z dala od bloku silnika, wokół którego panuje wysoka temperatura podczas pracy. Najkorzystniej jest, jeżeli filtr jest odizolowany osłoną termoizolacyjną. Ma to zapobiec zasysaniu powietrza o podwyższonej temperaturze, która pochodzi od pracującego silnika. Gorące powietrze ma mniejszą gęstość, więc w stałej objętości znajduje się jego mniejsza masa. Z tego powodu istnieje bardzo dużo różnych rozwiązań konstrukcyjnych bariery termoizolacyjnej. Wybrane rozwiązania układu dolotowego z filtrem sportowym osłoniętego częściowo przegrodą termoizolacyjną przedstawiono na rysunku 5. Całkowite osłonięcie filtru sportowego od gorącego powietrza zapewnia cylindryczna puszka o owalnym przekroju poprzecznym wykonana z włókna węglowego (rys. 6). Owalny kształt obudowy pozwala na łatwy montaż w otoczeniu silnika. Powietrze z otoczenia napływa bezpośrednio do filtru od jego strony wewnętrznej, gdzie trafia na specjalną stożkową kierownicę deflektor. Po przejściu przez materiał

5 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 127 filtracyjny oczyszczone powietrze wpływa do przestrzeni obudowy, skąd kierowane jest do wylotu filtru. W niektórych rozwiązaniach przed otworem wylotowym oczyszczonego powietrza znajduje się specjalna lemniskata zmniejszająca opory przepływu. Rys. 5. Rozwiązania konstrukcyjne bariery termoizolacyjnej dla filtrów stożkowych w układzie dolotowym silnika [22] a) b) Rys. 6. Bariera termoizolacyjna filtru stożkowego BMC Air Filter w układzie dolotowym silnika: a) szczelna puszka i wkład; b) przepływ powietrza przez filtr: 1 osłona termoizolacyjna, 2 deflektor, 3 materiał filtracyjny [17] 2. Analiza wpływu zastosowania w samochodzie osobowym filtru powietrza samochodu sportowego Filtry powietrza stosowane w samochodach sportowych charakteryzują się znacznie mniejszymi oporami przepływu w porównaniu do standardowych filtrów używanych w samochodach osobowych. Stąd wynika przeświadczenie użytkowników samochodów osobowych, że zamontowanie filtru sportowego w układzie zasilania powietrzem silnika w miejsce filtru fabrycznego zwiększy moc silnika oraz maksymalny moment obrotowy, a tym samym poprawi dynamikę pojazdu. Na rysunku 7 przedstawiono (wyniki badań własnych) wartości oporów przepływu dla nominalnego strumienia powietrza Q = 200 m 3 /h różnych stanów technicznych filtru fabrycznego silnika FSO 1500 samochodu Polonez i filtrów sportowych zamocowanych w miejsce filtru fabrycznego.

6 128 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy Opór przepływu filtru p [kpa] 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 2,04 3,27 2,53 3,78 3,62 2,42 Wlot powietrza z otoczenia silnika Rys. 7. Wartości oporów przepływu różnych stanów technicznych filtru fabrycznego silnika FSO 1500 samochodu Polonez (1 filtr z czystym wkładem, 2 filtr z wkładem zanieczyszczonym, 2 filtr bez wkładu, 4 filtr z wkładem panelowym K&N) oraz filtrów sportowych 1,78 Wlot powietrza znad kolektora wylotowego 2,89 Strumień powietrza Q = 200 m 2/h Filtry sportowe K&N 0,463 0, Stożkowy Stożkowy z kontrstożkiem Stan techniczny filtru powietrza fabrycznego Opór przepływu filtrów sportowych jest kilkakrotnie mniejszy od oporu filtru powietrza fabrycznego z czystym wkładem filtracyjnym. Zamontowanie w miejsce filtru fabrycznego filtru sportowego o mniejszym oporze może skutkować zwiększeniem mocy silnika. Na rysunkach 8 i 9 przedstawiono dostępne wyniki badań eksperymentalnych wykonanych na hamowni podwoziowej czterech silników samochodów osobowych z fabrycznym filtrem powietrza, a następnie z zamontowanym w jego miejsce filtrem powietrza samochodu sportowego [16]. Na rysunku 8 przedstawiono przykładową charakterystykę zmian mocy i momentu obrotowego silnika samochodu Renault Clio V w zależności od prędkości obrotowej z filtrem fabrycznym i po zamianie na filtr sportowy [16]. Na podstawie takich charakterystyk określono procentowe zmiany mocy maksymalnej N e i momentu obrotowego M o badanych silników (rys. 9). Z danych przedstawionych na rysunku 9 wynika, że w każdym z czterech samochodów o różnej mocy nominalnej i pojemności skokowej silników zaobserwowano przyrost mocy N emax, jak również przyrost momentu obrotowego M omax po zamontowaniu sportowego filtru powietrza firmy BMC CDA w miejsce filtru fabrycznego. Największy przyrost mocy N emax = 6,4 kw (13%) oraz momentu obrotowego M omax = 8,1 Nm (10,2%) zaobserwowano dla samochodu Daewoo Lanos z silnikiem o ZI, wolnossącym, o pojemności skokowej 1,2 dm 3 (rys. 9). Najmniejszy natomiast przyrost mocy maksymalnej N emax = 4,49 kw (3,23%), a także momentu obrotowego M omax = 4,2 Nm (2,18%) zarejestrowano dla samochodu Honda Civic Type R z silnikiem 1.6 o ZI (rys. 9). Przyrost mocy i momentu obrotowego badanych silników został spowodowany zwiększeniem masy powietrza doprowadzonego

7 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 129 Rys. 8. Zmiana mocy i momentu obrotowego w zależności od prędkości obrotowej silnika samochodu Renault Clio V przy zastosowaniu filtru fabrycznego oraz filtru sportowego [16] VW Polo 1.6 GTI Honda Civic Type R Przyrost mocy maksymalnej N emax Przyrost maksymalnego momentu M omax Renault Clio V Daewoo Lanos Przyrost mocy maksymalnej N [%] i maksymalnego momentu M [%] Rys. 9. Procentowe przyrosty mocy maksymalnej N emax oraz maksymalnego momentu obrotowego M omax silników samochodów, w których filtr fabryczny zamieniono na sportowy filtr powietrza [16] emax omax

8 130 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy do komory spalania w wyniku mniejszych oporów przepływu, jakimi cechują się filtry sportowe. Zwiększenie masy powietrza doprowadzonego do cylindra silnika umożliwia zwiększenie ilości dostarczanego paliwa w celu utrzymania mieszanki palnej o składzie stechiometrycznym, a to powoduje przyrost mocy. Efekt montowania filtrów sportowych, produkowanych przez firmę K&N, w miejscu fabrycznego filtru powietrza w silniku samochodu Ford Fiesta ST przedstawiono na rysunku 10 [24]. W ramach przeprowadzonych badań eksperymentalnych wykonano cztery testy silników, podczas których określono zależność mocy N e i momentu obrotowego M o od prędkości obrotowej. W pierwszym teście badano pojazd z silnikiem wyposażonym w oryginalny filtr fabryczny. Podczas drugiego testu filtr fabryczny został zastąpiony wkładem filtracyjnym firmy K&N. W czasie testu trzeciego w miejsce fabrycznego filtru powietrza zastosowany został filtr stożkowy firmy K&N model 57i Kit, będący filtrem sportowym stożkowym z barierą termoizolacyjną. 200 Moment obrotowy silnika M [Nm] Moc silnika N [KM] o e Moment obrotowy Ford Fiesta ST 2007 Przebieg km Moc silnika 150 KM V ss = 2 dm3 Moc silnika Test nr 1 Filtr fabryczny 140,6 KM (5904), 179,9 Nm (4472) Test nr 2 Wkład panelowy K&N 144,4 KM (5960), 184,0 Nm (4449) Test nr 3 Filtr stożkowy K&N 57i Kit 151,4 KM (6566), 188,9 Nm (5163) Test nr 4 Filtr stożkowy K&N Typhoon Kit 151,3 KM (6588), 190,7 Nm (4479) Prędkość obrotowa silnika n [obr./min] Rys. 10. Zmiana mocy i momentu obrotowego w zależności od prędkości obrotowej silnika samochodu Ford Fiesta ST przy zastosowaniu filtru fabrycznego oraz trzech filtrów sportowych [24] W czasie czwartego testu filtr fabryczny został zastąpiony filtrem tej samej firmy K&N, lecz modelem Typhoon Kit. Jest to filtr sportowy, umieszczony w obudowie o kształcie puszki wykonanej z włókna węglowego, która stanowi przegrodę termoizolacyjną. W celu zamontowania filtrów stożkowych układ dolotowy został zmodyfikowany poprzez wstawienie w miejsce filtru fabrycznego specjalnego odcinka przejściowego przewodu rurki, pozwalającego zamontować badane filtry. Procentowy przyrost mocy maksymalnej ΔN e oraz maksymalnego momentu obrotowego ΔM o w wyniku zastosowania filtrów sportowych przedstawiono na rysunku

9 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych Procentowy przyrost mocy N maksymalnego moment obrotowego M [%] e o Przyrost mocy maksymalnej Przyrost maksymalnego momenty obrotowego 2,7 2,34 7,68 5,06 7,61 6,06 0 Wkład filtracyjny panelowy firmy K&N Filtr stożkowy firmy K&N model 57i Kit Filtry powietrza użyte podczas badań Filtr stożkowy firmy K&N model Typhhon Kit Rys. 11. Procentowy przyrost maksymalnej mocy silnika ΔN emax oraz maksymalnego momentu obrotowego silnika ΔM omax dla poszczególnych filtrów zastosowanych podczas badań w samochodzie Ford Fiesta ST [24] Najmniejsze efekty w postaci wzrostu mocy i maksymalnego momentu obrotowego silnika spowodował sportowy wkład panelowy, odpowiednio: ΔN emax = 2,79 kw (2,7%), M omax = 4,2 Nm (2,34%) (rys. 11). Natomiast filtry stożkowe: model Typhoon Kit umieszczony w puszce z włókna węglowego oraz 57i Kit z przegrodą termoizolacyjną, zastosowane w miejsce filtru fabrycznego, powodują porównywalne, ale 2-3-krotnie większe przyrosty maksymalnej mocy i maksymalnego momentu silnika niż zastosowanie wkładu panelowego K&N (rys. 11). Wkład panelowy K&N umieszczony jest w obudowie, do której powietrze doprowadzane jest przewodem, natomiast filtry stożkowe pobierają powietrze bezpośrednio z otoczenia. Tym samym ich opory przepływu są mniejsze niż filtru z wkładem panelowym. W wyniku tego uzyskuje się zwiększenie ilości powietrza dostarczonego do komory spalania oraz paliwa, czyli zwiększenie masy mieszanki paliwowo-powietrznej. Wyniki badań samochodów na hamowni podwoziowej, w czasie których wkład fabryczny samochodu Alfa Romeo 156, ale w dwóch różnych silnikach (2.0 TS o ZI Sportwagon oraz 1.9 JTD o ZS Sportwagon), zastąpiono najpierw wkładem sportowym BMC, a później filtrem sportowym stożkowym BMC, przedstawiono na rysunku 12 [18]. Badania wykazały wzrost mocy, ale jednocześnie nastąpił spadek maksymalnego momentu obrotowego. W przypadku silnika 1.9 JTD (o ZS) wzrost mocy jest znaczny i wynosi 5,1% mocy maksymalnej N emax. W przypadku silnika 2.0 TS (o ZI) wzrost mocy jest mniejszy i wynosi tylko 1,3% dla wkładu sportowego BMC oraz 3,6% dla wkładu sportowego stożkowego BMC. W obydwu tych silnikach po zamontowaniu wkładu

10 132 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy Alfa Romeo JTD wkład BMC 8,5 5,1 Alfa Romeo TS wkład BMC 1,6 1,3 przyrost maksymalnego momentu obrotowego [%] M omax Alfa Romeo TS filtr stożkowy BMC przyrost mocy maksymalnej silnika [%] N emax 1,7 3, Przyrost mocy i momentu obrotowego silnika Ne, Mo[%] Rys. 12. Procentowy przyrost maksymalnej mocy silnika ΔN emax oraz maksymalnego momentu obrotowego silnika ΔM omax dla poszczególnych filtrów zastosowanych podczas badań w samochodzie Alfa Romeo 156 [18] BMC nastąpił spadek momentu obrotowego. W przypadku silnika Alfa Romeo JTD jest to aż 8,5% momentu maksymalnego. Zjawisko takie można wytłumaczyć wzajemną relacją między mocą, momentem obrotowym i prędkością obrotową silnika. Wielkości te związane są ze sobą znaną zależnością: N e Mo n = [kw], (1) 9550 gdzie: N e moc silnika [kw]; M o moment obrotowy silnika [N m]; n prędkość obrotowa silnika [obr./min]. Zamiana filtru fabrycznego samochodu na filtr sportowy o mniejszym oporze zmienia warunki pracy silnika. Oprócz zmian wartości mocy i momentu obrotowego silnika następuje przesunięcie ich wartości maksymalnych w inny zakres prędkości obrotowych, stąd nie zawsze wzrost mocy silnika idzie w parze ze wzrostem momentu obrotowego. Natomiast po zamontowaniu bezpośrednio na kolektor dolotowy w silniku 2.0 TS (o ZI) filtru stożkowego BMC nastąpił przyrost momentu obrotowego 1,7%. Układ dolotowy współcześnie produkowanych silników jest skonstruowany tak, aby zapewnić osiąganie maksymalnej mocy. Średnice i długości przewodów dolotowych oraz wylotowych, a także filtr powietrza silnika są tak dobierane, aby uzyskać doładowanie dynamiczne silnika przy wykorzystaniu zjawisk falowych [11, 12]. Efekt falowy w układzie dolotowym jest wywołany stale występującymi

11 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 133 zaburzeniami ciśnienia powstającymi podczas cyklicznego otwierania i zamykania zaworów dolotowych, które tworzą falę stojącą w rurze dolotowej. Jej częstotliwość zależy od prędkości obrotowej silnika i rośnie wraz z nią. Doładowanie dynamiczne silnika polega na wywołaniu rezonansu pomiędzy wymuszającymi wahaniami ciśnienia a częstością drgań własnych słupa gazów zawartych w przewodach dolotowych. Charakterystyczną cechą tego sposobu doładowania jest to, że zjawisko rezonansu zachodzi w wąskim zakresie prędkości obrotowej, najczęściej w zakresie prędkości odpowiadającej maksymalnemu momentowi obrotowemu n M. Ingerencja w tak precyzyjnie dobrany układ dolotowy poprzez zmianę jego parametrów, polegająca na zmianie filtru powietrza (obniżenie oporu przepływu), długości i średnicy przewodu dolotowego (zmiana wartości prędkości przepływu) w przypadku montowania filtru sportowego, może doprowadzić do zaniku efektu doładowania rezonansowego, a w konsekwencji do przesunięcia maksymalnego momentu obrotowego silnika w zakres innych prędkości obrotowych lub obniżenie jego wartości. W efekcie zastąpienia filtru powietrza fabrycznego filtrem sportowym uzyskany wzrost mocy silnika i momentu obrotowego może spowodować wzrost przyspieszenia pojazdu. Wyniki takich badań dla samochodów Alfa Romeo TS Sportwagon oraz Alfa Romeo 1.9 JTD Sportwagon pokazano na rysunku 13 [18]. Po zamianie filtru fabrycznego na stożkowy filtr sportowy BMC zarejestrowano dla obydwu samochodów skrócenie czasu t a (zwiększenie przyspieszenia) osiągania założonej prędkości jazdy samochodu. Dla samochodu Alfa Romeo z silnikiem 1.9 JTD Sportwagon czas osiągnięcia prędkości od = 0 do = 120 km/h został zmniejszony z t a =13,5 s do t a = 12,7 s, czyli o 6% (rys. 13). Dla samochodu Alfa Alfa Romeo JTD Sportwagon filtr seryjny Alfa Romeo JTD Sportwagon wkład BMC Alfa Romeo TS Sportwagon filtr seryjny Alfa Romeo JTD Sportwagon wkład BMC Alfa Romeo JTD Sportwagon filtr stożkowy BMC 0-60 [km/h] 0-80 [km/h] [km/h] [km/h] Rys. 13. Wartości czasu t a do osiągnięcia założonej prędkości jazdy samochodu Alfa Romeo z silnikiem 1.9 JTD oraz 2.0 TS [18] 4,5 4,5 5,1 5 4,7 6,8 6,6 7,3 7,1 6,8 9,5 9,1 10 9,8 9,5 13,5 12,7 13,9 13,7 13, Czas osiągnięcia założonej prędkości t a [s]

12 134 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy Romeo TS Sportwagon zastosowanie filtru sportowego spowodowało skrócenie czasu t a tylko o 1,5%. Uzyskane przyspieszenia samochodu są więc nieznaczne i mogą być niewyczuwalne przez kierowcę. Z przedstawionej analizy wynika, że zastąpienie filtru fabrycznego cechującymi się znacznie mniejszymi oporami przepływu filtrami sportowymi powoduje w większości przypadków wzrost mocy N emax i maksymalnego momentu obrotowego M omax silnika. W dostępnej literaturze brakuje jednak wiarygodnych danych o podstawowych właściwościach filtracyjnych (skuteczności i dokładności filtracji) filtrów sportowych. Luźna struktura bawełnianej warstwy filtracyjnej filtrów sportowych powoduje uzyskanie mniejszych oporów przepływu, ale też sugeruje, że skuteczność i dokładność filtracji filtrów sportowych może znacznie odbiegać od skuteczności i dokładności filtracji papierów filtracyjnych, których wartości kształtują się na poziomie odpowiednio: φ = 99,5 99,9%, d zmax = 2 5 µm. Z tego względu niezbędne jest przeprowadzenie badań rozpoznawczych filtrów sportowych w zakresie skuteczności i dokładności filtracji oraz oporów przepływu. 3. Cel i przedmiot badań Celem badań było określenie właściwości filtracyjnych sportowego filtru powietrza poprzez wyznaczenie jego następujących charakterystyk: skuteczności filtracji φ f = f(k m ), dokładności filtracji d zmax = f(k m ), oporu przepływu Δp f = f(k m ), gdzie: k m współczynnik chłonności określający całkowitą masę pyłu zatrzymaną na 1 m 2 powierzchni czynnej materiału filtracyjnego wyrażony zależnością: n m = (2) i= 1 ZFi 2 kmi [ g / m ], Acz gdzie: A cz czynna powierzchnia filtracyjna filtru [m 2 ]. Charakterystyki określono dla dwóch różnych prędkości filtracji: u F1 = 0,16 m/s prędkość dwukrotnie wyższa od prędkości filtracji typowej dla papierów filtracyjnych, u F2 = 0,32 m/s prędkość czterokrotnie wyższa od prędkości filtracji typowej dla papierów filtracyjnych, gdzie: u F prędkość filtracji definiowana jako iloraz strumienia powietrza przepływającego przez filtr Q F i pole powierzchni czynnej materiału filtracyjnego A F.

13 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 135 Przedmiotem badań były dwa jednakowe egzemplarze sportowych filtrów powietrza firmy K&N o kształcie ściętego stożka (rys. 14). a) b) Rys. 14. Filtr sportowy firmy K&N: a) przed badaniami; b) po badaniach skuteczności pyłem testowym Materiałem filtracyjnym filtru sportowego jest włóknina naturalno-syntetyczna, ułożona warstwowo i wzmocniona siatką metalową od strony napływu i wypływu powietrza. Tak wykonany materiał filtracyjny w postaci taśmy jest ukształtowany w 34 plisy o wysokości h p = 8,5 mm. Końce plis umocowane są w masie z tworzywa sztucznego, z którego wykonana jest górna i dolna podstawa filtru. 4. Metodyka i warunki badań Badania przeprowadzono na stanowisku (rys. 15), które przystosowano do wykonywania podstawowych charakterystyk filtracyjnych filtrów sportowych o zakresie strumienia powietrza do Q = 300 m 3 /h i stężeniu pyłu w powietrzu do 2 g/m 3. Zasadniczym elementem stanowiska jest badany filtr sportowy ustawiony pionowo w komorze pyłowej, która zamocowana jest sztywno do podstawy stanowiska. W odległości 6d w w przewodzie pomiarowym za badanym filtrem (gdzie d w średnica wewnętrzna przewodu wylotowego z filtru) podłączony jest manometr cieczowy typu U-rurka przeznaczony do pomiaru spadku ciśnienia statycznego Δh za badanym filtrem, a tym samym określania oporu przepływu filtru Δp f. Ważnym wyposażeniem stanowiska jest urządzenie dozujące pył, którego podstawowymi elementami są: ruchomy pojemnik pyłu umocowany czterema napiętymi sprężynami do obudowy dozownika oraz elektromagnes powodujący jego drgania. Pył testowy znajdujący się w specjalnym pojemniku dozownika wskutek drgań wymuszonych elektromagnesem zasilanym z autotransformatora wysypuje się grawitacyjnie przez otwór (mający regulowany zmienny przekrój) w dnie pojemnika pyłu. Intensywność drgań jest regulowana wartością prądu wyjściowego autotransformatora. Pył ten następnie wpada do przewodu, którym pneumatycznie

14 136 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy (sprężonym powietrzem) podawany jest do komory pyłowej, gdzie następuje jego zmieszanie z powietrzem wlotowym do filtru. Tak przygotowany aerozol zasysany jest przez badany filtr. Rys. 15. Schemat funkcjonalny stanowiska do badań filtrów sportowych: 1 filtr sportowy, 2 komora pyłowa, 3 stożek zsypowy, 4 rotametr, 5 dozownik pyłu, 6 przewód pomiarowy, 7 manometr typu U-rurka, 8 sonda pomiarowa, 9 filtr absolutny, 10 sensor, 11 pompa próżniowa, 12 mikroprocesor, 13 rotametr, 14 zestaw do pomiaru ciśnienia, wilgotności oraz temperatury powietrza otoczenia, 15 zawór regulacji wartości strumienia przepływającego powietrza, 16 wentylator ssawny [15] Określenie liczby i rozmiarów ziaren pyłu w powietrzu za filtrem przepuszczonych przez badany filtr umożliwia licznik cząstek Pamas W odpowiedniej odległości za badanym filtrem umieszczona jest centralnie w osi przewodu pomiarowego końcówka sondy pomiarowej licznika cząstek, której otwór wlotowy skierowany jest w stronę napływu strumienia powietrza Q F. Z chwilą włączenia pompy próżniowej końcówką sondy pomiarowej następuje zasysanie aerozolu w postaci strumienia badanego Q B, który kierowany jest do sensora, gdzie następuje jego analiza w zakresie liczby N i rozmiarów ziaren pyłu d z. Sygnał napięciowy U c przekazywany jest do mikroprocesora licznika cząstek. Na wejściu do sensora strumień Q B łączy się ze strumieniem ekranującym będącym strumieniem czystego powietrza. W sensorze następuje analiza przepływającego strumienia przy wykorzystaniu zjawiska rozpraszania wiązki promieniowania laserowego (długość fali 680 nm). Zarejestrowane przez mikroprocesor wyniki pomiarów mogą być wydrukowane w postaci tabelarycznej za pomocą drukarki stanowiącej integralną całość z mikroprocesorem lub wyświetlone na ekranie komputera.

15 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 137 W czasie trwania cyklu pomiarowego zaprogramowano trzy zliczenia ziaren pyłu, z których określano średnią we wszystkich przedziałach pomiarowych. W ostatnim przedziale pomiarowym znajduje się najczęściej jedno ziarno pyłu mające największy rozmiar d z = d zmax. Z tych względów ziarno pyłu o największym rozmiarze d z = d zmax znajdujące się w powietrzu za filtrem powietrza samochodu sportowego przyjęto jako kryterium oceny dokładności powietrza w filtrze. Podczas badań zaprogramowano cykl pomiarowy, w którym zliczanie ziaren pyłu z zakresu 0,7 11,9 μm podzielono na 28 jednakowych przedziałów pomiarowych ograniczonych średnicami (d zmin d zmax ), ze skokiem co Δd zi = 0,4 μm. Zakres 11,9 62 μm podzielono na cztery przedziały pomiarowe: jeden przedział ze skokiem Δd z = 6 µm, drugi ze skokiem Δd z = 7,1 µm, trzeci ze skokiem Δd z = 17,1 µm i czwarty przedział ze skokiem Δd z = 20 µm. Badania prowadzono w cyklach pomiarowych (i p = I, II, III,..., k) wynikających z czasu t p równomiernego dozowania pyłu do filtru. W trakcie trwania cyklu pomiarowego, w chwili τ pcz = ½τ p, uruchamiano w liczniku cząstek procedurę pomiaru liczby i rozmiarów ziaren pyłu w powietrzu za filtrem. Przed przystąpieniem do badań obliczono wartość strumienia powietrza przepływającego przez filtr Q F dla założonej wartości prędkości filtracji u Fi z poniższej zależności: Q 3 Fi = Fi Acz 3600 [m /h], (3) Dla prędkości filtracji u F1 = 0,16 m/s strumień powietrza przepływającego przez filtr ma wartość Q F1 = 26 m 3 /h, a dla prędkości filtracji u F2 = 0,32 m/s jest to wartość Q F2 = 52 m 3 /h. Zgodnie z normą PN-ISO 5011 utrzymywano wartość stężenia pyłu w powietrzu wlotowym do filtru na poziomie s = 1,0 g/m 3. Stosowano, zgodnie z normą PN-S-34040, pył testowy PTC-D, będący krajowym zamiennikiem pyłu AC fine. 5. Analiza wyników badań Wyniki badań i obliczeń skuteczności filtracji φ f, oporu przepływu Δp f i dokładności filtracji d zmax (rozmiar maksymalnych ziaren pyłu) badanych filtrów sportowych przedstawiono na rysunku 16. Wraz ze wzrostem masy pyłu zatrzymanego w warstwie filtracyjnej (wzrostem współczynnika k m ) następuje dość szybki wzrost zarówno oporu p f, jak i skuteczności filtracji φ f, będący wynikiem zapełniania przestrzeni między włóknami porów. Skuteczność φ f i dokładność filtracji d zmax oraz opór przepływu Δp f obu filtrów przyjmują coraz większe wartości, co jest zgodne z informacjami literaturowymi [3, 4, 6, 9, 10, 13, 14]. Pracę badanych filtrów sportowych, których charakterystyki pokazano na rysunku 16, można umownie podzielić na dwa etapy.

16 138 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy Rys. 16. Charakterystyka skuteczności φ f i dokładności filtracji d zmax oraz oporu przepływu Δp f w zależności od współczynnika chłonności pyłu k m badanych filtrów sportowych Pierwszy etap pracy filtrów (I) charakteryzuje się niską skutecznością filtracji oraz małymi oporami przepływu i małą dokładnością. Według autorów prac [10, 13, 14] w tym czasie na elementach struktury porowatej osadzają się cząstki zanieczyszczeń, tworząc warstwę, która spełnia funkcję struktury porowatej dla następnych cząstek. Obok osadzania ziaren pyłu na elementach struktury, następuje również osadzanie zanieczyszczeń na wcześniej zatrzymanych ziarnach. Przyjęto, że pierwszy (I) etap pracy filtrów trwa od rozpoczęcia badań do chwili wzrostu dokładności filtracji wyraźnego spadku maksymalnych rozmiarów ziaren pyłu d zmax w powietrzu za filtrem. Dla filtru nr 1 (badanego przy u F1 = 0,16 m/s) okres ten trwa do chwili osiągnięcia współczynnika chłonności pyłu k m1 = 350 g/m 2. W tym czasie rozmiary ziaren d zmax utrzymują się na poziomie d zmax1 = 50 µm, skuteczność filtracji wzrasta z φ f1 = 46,6% do φ f1 = 75%, a opór przepływu zmienia się nieznacznie z Δp f1 = 0,005 kpa do Δp f1 = 0,0085 kpa. Dla filtru nr 2 (badanego przy prędkości filtracji u F2 = 0,32 m/s) pierwszy etap trwa krócej i kończy się z chwilą osiągnięcia współczynnika chłonności k m2 = 178 g/m 2. W tym czasie skuteczność filtracji zmienia się z φ f2 = 61,4% do φ f2 = 80,5%, a rozmiary maksymalnych ziaren d zmax2 utrzymują się (podobnie jak filtru nr 1) na poziomie d zmax2 = 50 µm. Wartość oporu przepływu zmienia się nieznacznie, podobnie jak dla filtru badanego przy u F1 = 0,16 m/s. W drugim etapie pracy (II) filtrów intensywność wzrostu skuteczności jest mniejsza niż w pierwszym etapie pracy filtrów. Wraz ze wzrostem masy pyłu zatrzymanego

17 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 139 w warstwie filtracyjnej oraz zapełniania przestrzeni między włóknami tworzą się rozrastające się często do znacznych rozmiarów aglomeraty (rys. 17), które zapełniają przestrzenie między włóknami. Zmniejszają się odległości między powierzchniami elementów warstwy filtracyjnej obłożonych pyłem (zmniejsza się porowatość przegrody), co powoduje wzrost prędkości przepływu, a stąd w konsekwencji następuje systematyczny wzrost zarówno oporu p f, jak i skuteczności filtracji φ f. Rys. 17. Powstawanie aglomeratów pyłu na powierzchni włókna tworzącego strukturę złoża filtracyjnego: A aglomeraty, B włókno [14] Filtr badany przy u F1 = 0,16 m/s osiąga maksymalną wartość skuteczności φ fmax1 = 82% dla współczynnika chłonności k m1 = 728 g/m 2, po czym następuje jej spadek. Dla k m1max = 862 g/m 2 filtr uzyskuje skuteczność φ f1 = 71,6% i opór przepływu Δp f1 = 0,32 kpa. Badania tego filtru zakończono ze względu na gwałtowny spadek jego skuteczności filtracji i nieznaczny przyrost oporu przepływu. Ponadto wystąpiło osypywanie się cząstek pyłu zatrzymanych wcześniej na powierzchni filtru sportowego, po zakończeniu cyklu pomiarowego. Zjawisko spadku skuteczności może być spowodowane tym, że siły odrywające (spowodowane wytworzonym podciśnieniem) przekraczają siły przyczepności ziaren do podłoża. Następuje zjawisko lawinowego odrywania aglomeratów pyłu i zasysanie go wraz z powietrzem do cylindrów silnika. W wyniku tego filtr traci częściowo właściwości filtracyjne. Podczas trwania II etapu skuteczność filtru badanego przy u F2 = 0,32 m/s osiąga znacznie wyższe wartości niż filtru badanego przy u F1 = 0,16 m/s. Filtr badany przy prędkości u F2 = 0,32 m/s charakteryzuje się ciągłym narastaniem skuteczności i dokładności filtracji, a maksymalną wartość φ fmax2 = 92,7% osiąga przy znacznie większej wartości współczynnika chłonności pyłu (k m2 = 1043 g/m 2 ), uzyskując jednocześnie większy opór przepływu Δp f2 = 1,45 kpa. Dla porównania współczesne

18 140 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy papiery filtracyjne uzyskują znacznie większe wartości skuteczności (φ f = 99,5%) i dokładności filtracji (d zmax = 2 5 µm), jednak przy wyższych oporach przepływu Δp f = 3 6 kpa i przy znacznie mniejszych wartościach współczynnika chłonności pyłu k m = g/m 2 [4, 5, 8, 14]. Z chwilą rozpoczęcia II etapu rozmiary maksymalnych ziaren d zmax (dokładność filtracji) przyjmują coraz mniejsze wartości i pod koniec II etapu pracy osiągają wartość d zmax1 = 9,1 µm dla filtru badanego przy u F1 = 0,16 m/s i d zmax2 = 5,5 µm dla filtru badanego przy u F2 = 0,32 m/s. Dla tych samych wartości współczynnika chłonności pyłu k m rozmiary d zmax przyjmują mniejsze wartości dla filtru nr 2 (u F2 = 0,32 m/s). Na przykład dla filtru nr 1 rozmiary maksymalnych ziaren pyłu przy k m1 = 534 g/m 2 mają wartość d zmax1 = 40 µm, a przy k m1 = 729 g/m 2 d zmax1 = 23,9 µm. Odpowiednio dla filtru nr 2 rozmiary maksymalnych ziaren pyłu d zmax2 mają wartość d zmax2 = 17,9 µm i d zmax2 = 10,3 µm. Charakter i wartość zmian skuteczności φ f i dokładności d zmax filtracji oraz oporu przepływu Δp f są dla każdego typu filtru inne i zależą od struktury warstwy filtracyjnej, stężenia zapylenia powietrza, rozmiaru ziaren pyłu, prędkości przepływu powietrza przez filtr. W przypadku badanych filtrów zmiany skuteczności φ f i dokładności d zmax filtracji oraz oporu przepływu wyraźnie zależą od prędkości przepływu powietrza przez filtr prędkości filtracji u F. Dla filtru badanego przy u F2 = 0,32 m/s wartości skuteczności filtracji i oporu przepływu są znacznie wyższe niż filtru badanego przy u F1 = 0,16 m/s. Wyjaśnienie tego zjawiska nie jest proste ze względu na to, że zatrzymywanie cząstek w przegrodzie porowatej jest procesem bardzo złożonym, zależnym od wielu sił i zjawisk. Cząstki zanieczyszczeń oraz elementy ośrodka porowatego mają nieregularne kształty i nieregularną mikrostrukturę powierzchni. Ziarna pyłu osadzają się równomiernie na powierzchni włókien. Zmniejsza się porowatość przegrody i istnieje możliwość odrywania się już osadzonych ziaren pod działaniem strumienia przepływającego płynu. Z tego względu proces filtracji aerozolu ma charakter stochastyczny, trudny do opisania ilościowego oraz jakościowego i dlatego badania eksperymentalne przegród filtracyjnych są najbardziej wiarygodną metodą badawczą [4, 9, 10, 13, 14]. Przy małych prędkościach filtracji ziarna pyłu nie przemieszczają się w głąb przegrody, lecz osadzają się równomiernie na powierzchni włókien znajdujących się bliżej strony wlotowej przegrody. Wraz z napływem kolejnych ziaren pyłu następuje osadzanie się zanieczyszczeń na wcześniej zatrzymanych ziarnach. Tworzące się aglomeraty o znacznych rozmiarach zapełniają wolne przestrzenie między włóknami, blokując tym samym napływ ziaren w głąb materiału filtracyjnego (rys. 17). Dlatego przestrzeń filtracyjna położona głębiej nie jest wykorzystana, co skutkuje mniejszą wartością współczynnika chłonności pyłu k m. Tworzenie się kolejnych warstw pyłu na powierzchni włókien powoduje zmianę warunków przepływu aerozolu. Zmniejszają się odległości między powierzchniami

19 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 141 włókien obłożonych pyłem (zmniejsza się porowatość przegrody), co powoduje wzrost prędkości przepływu, a w konsekwencji rosną opory przepływu hydrodynamicznego w warstwie filtracyjnej oraz zdolności filtracyjne warstwy: wzrasta skuteczność i dokładność filtracji. a) b) c) d) Rys. 18. Kolejne etapy zmiany struktury materiału filtracyjnego w czasie eksploatacji przepływ aerozolu z małą prędkością filtracji: a) rozpoczęcie eksploatacji filtru nowego; b i c) okres eksploatacji; d) osiągnięcie oporu dopuszczalnego wymiana wkładu Przy dużych prędkościach filtracji ziarna pyłu, mając większą energię kinetyczną, przemieszczają się w głąb przegrody i osadzają się na powierzchni włókien całej przegrody. Wraz z napływem kolejnych ziaren pyłu następuje osadzanie się zanieczyszczeń na wcześniej zatrzymanych ziarnach. Następuje równomierne zapełnianie przestrzeni między wszystkimi włóknami warstwy filtracyjnej. Tym samym zostaje wykorzystana cała przestrzeń filtracyjna, a zatrzymana masa pyłu jest większa, co nie tylko przekłada się bezpośrednio na większy współczynnik chłonności pyłu k m, który przyjmuje coraz większe wartości, lecz także opory przepływu znacznie wzrastają. Zmniejszająca się porowatość przegrody jest przyczyną wzrostu oporu przepływu filtru przy utrzymującej się na wysokim poziomie skuteczności i dokładności filtracji. Opór przepływu p f może wzrosnąć do wartości kilkakrotnie przewyższającej jego opór początkowy. W zaistniałej sytuacji siły odrywające (spowodowane wytworzonym podciśnieniem) mogą przekroczyć siły przyczepności ziaren do podłoża i nastąpić może zjawisko lawinowego odrywania aglomeratów pyłu i zasysanie go wraz z powietrzem do cylindrów silnika. Liczbę ziaren pyłu znajdujących się w powietrzu za badanym filtrem (przepuszczanych przez materiał filtracyjny) zarejestrowano licznikiem cząstek firmy Pamas 2132 w ustalonych przedziałach pomiarowych. Wyniki pomiarów dla charakterystycznych punktów pracy filtru badanego z prędkością u F2 = 0,32 m/s przedstawiono na rysunkach Wraz z upływem czasu pracy filtru sportowego (wzrostu współczynnika chłonności pyłu) procentowy udział ziaren pyłu o rozmiarach d zmax = 0,7 1,1 µm przyjmuje coraz większe wartości. Dla pierwszego pomiaru ich udział wynosi U z2(i) = 6,2%, dla pomiaru nr VI U z2(vii) = 25,0%, dla pomiaru nr XIII

20 142 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy ma wartość U z2(xiii) = 58,6%. Dla pomiaru ostatniego (nr XIX), przy którym filtr osiąga maksymalną skuteczność, udział U z2(xix) = 72,0%. Dla pozostałych przedziałów wymiarowych, czyli powyżej 1,1 µm, obserwuje się zjawisko odwrotne procentowy udział ziaren pyłu wraz z upływem czasu pracy filtru maleje. Znaczy to, że ziarna pyłu większych rozmiarów zatrzymywane są przez złoże z coraz większą skutecznością, stąd ich liczba w całkowitej masie pyłu z filtrem maleje. Z przedstawionych badań wynika, że znaczna część pracy filtrów sportowych charakteryzuję się tym, że w powietrzu za filtrem znajdują się ziarna pyłu o dużych rozmiarach d zmax = µm, a więc ziarna, które powodują intensywne zużycie silnika. Ziarna pyłu o największych rozmiarach (d zmax = 50 µm) znajdują się w powietrzu d zmax = 50 m 19,1% 1,5-1,9 m 15,9% 12,3% 1,1-1,5 m 9,2% 25,0% 0,7-1,1 m 0,3% 0,4% 0,6% 1,1% 4,5% 1,8% 2,9% 6,5% Rys. 19. Skład granulometryczny ziaren pyłu w powietrzu za filtrem sportowym badanym przy u F2 = 0,32 m/s po osiągnięciu współczynnika chłonności pyłu k m2 = 178 g/m 2 (pomiar nr VI) d zmax = 11,9 m 58,6% 15,1% 1,1-1,5 m 8,9% 1,5-1,9 m 5,4% 4,1% 2,8% 1,6% 0,7-1,1 m 0,2% 0,2% 0,6% 0,8% 0,7% Rys. 20. Skład granulometryczny ziaren pyłu w powietrzu za filtrem sportowym badanym przy u F2 = 0,32 m/s po osiągnięciu współczynnika chłonności pyłu k m2 = 600 g/m 2 (pomiar nr XIII) 0,4%

21 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 143 d zmax = 5,5 m 72,0% 0,7-1,1 m 17,1% 1,1-1,5 m 1,5-1,9 m 6,1% 2,6% 1,0% 0,6% 0,3% 0,1% 0,1% Rys. 21. Skład granulometryczny ziaren pyłu w powietrzu za filtrem sportowym badanym przy u F2 = 0,32 m/s po osiągnięciu współczynnika chłonności pyłu k m2 = 1043 g/m 2 i skuteczności filtracji maksymalnej φ fmax = 92,7% (pomiar nr XIX) za filtrem w I etapie jego pracy. Dla filtru samochodu sportowego badanego przy prędkości filtracji u F2 = 0,32 m/s pierwszy okres pracy jest dwukrotnie krótszy, a dokładność filtracji d zmax oraz skuteczność filtracji φ fmax jest wyższa niż dla filtru badanego przy u F = 0,16 m/s. Współczynnik chłonności dla filtru badanego z większą prędkością jest również większy i wynosi k m2 = 1044 g/m 2 (dla u F2 = 0,32 m/s) oraz k m1 = 728 g/m 2 (dla u F1 = 0,16 m/s). 6. Podsumowanie Filtry powietrza stosowane w samochodach sportowych filtry sportowe charakteryzują się znacznie mniejszymi oporami przepływu (0,4 0,5 kpa) niż filtry standardowe (fabryczne) samochodów osobowych (1,8 2,0 kpa), co wynika z ich konstrukcji i stosowanego materiału filtracyjnego. Wkład filtracyjny filtru standardowego wykonany jest z papieru filtracyjnego o dużej gęstości upakowania charakteryzującego się dużą skutecznością (φ f = 99,5 99,9%) i dokładnością filtracji d zmax = 2 5 µm. Materiał filtracyjny filtrów stożkowych ma bardzo luźną strukturę, czego wynikiem są małe opory przepływu, ale też uzyskiwane w czasie badań niskie wartości skuteczności φ f = 82 92% i dokładności filtracji, zależne od prędkości filtracji. W początkowym okresie pracy w powietrzu za badanymi filtrami znajdowały się ziarna pyłu o rozmiarach d zmax = 50 µm, a w zasadniczym etapie filtru o rozmiarach d zmax = 5,5 23,9 µm. Niska skuteczność filtracji w początkowym okresie pracy filtru (na przykład po wymianie zanieczyszczonego wkładu filtracyjnego na nowy) oraz znajdujące się w powietrzu wlotowym do silnika ziarna pyłu znacznych rozmiarów (d zmax = 50 µm) mogą mieć duży wpływ na przyspieszone zużycie silnika, głównie skojarzenia T-P-C. Stosowanie do filtracji powietrza wlotowego silnika samochodu osobowego filtru sportowego zakłóca zjawisko doładowania dynamicznego silnika z wykorzystaniem

22 144 T. Dziubak, Y. Yendzheyovskyy zjawisk falowych i dlatego w niektórych silnikach zauważa się spadek mocy, zamiast oczekiwanego wzrostu. Badane filtry sportowe charakteryzują się dużą chłonnością pyłu, czego dowodem jest uzyskana wartość współczynnika chłonności pyłu k max = g/m 2, czterokrotnie większa niż papieru filtracyjnego. Jest to na pewno duża zaleta tych filtrów, jednak osiągane niskie skuteczności i dokładności filtracji nie predestynują filtrów sportowych do stosowania w układach dolotowych silników samochodów osobowych. Źródło finansowania: Praca Badawcza Statutowa PBS 935/WAT/2016. Artykuł wpłynął do redakcji r. Zweryfikowaną wersję po recenzjach otrzymano r. LITERATURA [1] Baczewski K., Hebda M., Filtracja płynów eksploatacyjnych, MCNEM, Radom, 1991/1992. [2] Dziubak T., Zanieczyszczenia płynów eksploatacyjnych i ich wpływ na zużycie elementów silnika spalinowego pojazdu mechanicznego, Archiwum Motoryzacji, tom 72, nr 2, [3] Dziubak T., Szwedkowicz S., Właściwości eksploatacyjne włókninowych przegród filtracyjnych powietrza wlotowego silników spalinowych pracujących w układach jedno- i dwustopniowych, Eksploatacja i Niezawodność, vol. 17, no. 4, [4] Dziubak T., Szwedkowicz S., Badania eksperymentalne papieru filtracyjnego pracującego w systemie cyklon przegroda porowata, Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej, vol. 62, nr 1, [5] Dziubak T., Filtracja powietrza wlotowego do silników spalinowych pojazdów mechanicznych, WAT, Warszawa, [6] Dziubak T., Problemy filtracji powietrza wlotowego do silników spalinowych pojazdów mechanicznych, Logistyka, nr 06, [7] Dziubak T., Analiza właściwości filtracyjnych filtrów powietrza silników samochodów sportowych, Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej, vol. 58, nr 2, [8] Dziubak T., Problemy filtracji powietrza zasysanego do spalinowych silników pojazdów mechanicznych, Biuletyn Wojskowej Akademii Technicznej, vol. 55, nr 3, [9] Gerald Liu Z., Thurow E.M., Pardue B.A., Wosikowski T.J., Effect of Nano-Filtered Intake Air on Diesel Particulate Matter Emissions, Fleetguard/Nelson and Cummins Company, [10] Jaroszczyk T., Fallon S.F., Pardue B.A., Analysis of Engine Air Cleaner Efficiency For Different Size Dust Distributions, Fluid/Particle Separation Journal, vol. 14, no. 2. [11] Mysłowski J., Doładowanie silników, WKŁ, Warszawa, [12] Mysłowski J., Doładowanie bezsprężarkowe silników z zapłonem samoczynnym, WN T, Warszawa, [13] Rowlands M., Schnieders I., Heinz B., Route to High Performance Filter Media, Hollingsworth & Vose Company, [14] Trautmann P., Durst M., Pelz A., Moser N., High Performance Nanofibre Coated Filter Media for Engine Intake Air Filtration, AFS 2005 Conference and Expo, April 10-13, [15] Yendzheyovskyy Y., Analiza właściwości eksploatacyjnych filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych, praca inżynierska, WAT, Warszawa, 2017.

23 Właściwości eksploatacyjne filtrów powietrza wlotowego silników samochodów sportowych 145 [16] Data dostępu [17] Data dostępu [18] Data dostępu [19] Data dostępu [20] Data dostępu [21] Data dostępu [22] =0ahUKEwjcxPr8u6PTAhVGJlAKHU7YB7cQ_AUICCgB&biw=1280&bih=894. Data dostępu [23] Data dostępu [24] Data dostępu T. DZIUBAK, Y. YENDZHEYOVSKYY Operating properties of air inlet filters in a sports car engine Abstract. There are presented design solutions and operation properties of air inlet filters of motor vehicles and sports cars. An analysis of the impact of the use of a sports car air filter in a passenger car was performed. The effect of this change on the increase in power and torque in several car engines was shown. The conditions and methodology of sports car air filter studies have been developed. A research stand with a particle counter was presented. The test results on the characteristics of efficiency and accuracy filtration and flow resistance of two sports air filters were presented. Each filter was tested at a different filtration rate. The dust absorption coefficient of the sport filter was determined. The dust particle fraction in the air purified behind the filter was calculated. Keywords: engine, air filter, sports filter, filtration efficiency and filtration accuracy, flow resistance, dust absorption coefficient, particle size DOI: /

24